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數碼發(fā)電機整流穩壓電源設計
引言
數碼發(fā)電機是近幾年中發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新的發(fā)電機產(chǎn)品，它是一種便攜式發(fā)電機。中頻發(fā)電機體積小、重量輕，是與之相配套的理想的發(fā)電機。但是中頻發(fā)電機輸出的三相交流電的頻率在400-760Hz 間變化，電壓在300-540V 間變化[1]，給整流器的設計帶來(lái)了一定的困難。傳統的整流方案大多針對定頻、定壓輸入，適應的電壓頻率變化范圍都不大[2]。本文針對此情況設計了一種寬頻率、寬電壓的適用于數碼發(fā)電機的整流方案。
本系統采用前饋控制結合PID 控制的復合控制策略，在前級整流器中加入前饋控制可以有效的減少響應時(shí)間及降低超調量。出于電壓穩定及經(jīng)濟狀態(tài)的考慮，可在系統中加入油門(mén)控制。實(shí)驗表明設計的整流器和中頻發(fā)電機配合良好，輸出工頻電壓達到設計要求。
1 整流器總體結構設計
為了得到穩定的市電，中頻發(fā)電機發(fā)出的三相電經(jīng)過(guò)三相半控橋整流后得到穩定的直流電，經(jīng)電容濾波后再通過(guò)逆變得到我們所需要的市電[3]。由于中頻發(fā)電機所發(fā)的三相電為寬頻率、寬電壓的三相電，因此對前級整流電路的要求比較高。由于輸入三相電的頻率及電壓變化及其頻繁，如果采用文獻[1]中所使用的拓撲結構，雖然也能得到穩定的直流輸出電壓，但是直流電壓趨于穩定所用的時(shí)間相對較長(cháng)并且系統的超調量也會(huì )比較大。經(jīng)過(guò)分析本文給出了如所示的數碼發(fā)電機的前級整流電路。
中在三相電輸入端加入電壓及頻率檢測構成前饋控制，就能及時(shí)有效的檢查出電壓及頻率的變化，控制器便可在輸出電壓U 變化之前控制油門(mén)開(kāi)度或者觸發(fā)角度的大小從而輸出更加穩定的直流電壓。由于發(fā)電機所發(fā)出的三相電各相間的電壓、頻率相等，所以只檢查兩相間的電壓、頻率即可。通過(guò)電壓傳感器檢查U 的大小，然后通過(guò)PID 控制器將本系統組成閉環(huán)控制系統，從而更精確更迅速的控制輸出直流電壓。油門(mén)控制采用模糊控制策略，當采用上述控制無(wú)法保證直流側電壓穩定時(shí)，可以通過(guò)油門(mén)控制來(lái)調節發(fā)電機輸出，進(jìn)而保證直流側電壓的穩定。油門(mén)控制是通過(guò)控制步進(jìn)電機[4]調節發(fā)電機油門(mén)的大小實(shí)現的。
采用定時(shí)方式進(jìn)行整流器的移相控制時(shí)，需要給控制器提供各晶閘管控制起始定時(shí)時(shí)刻的方波信號，這一方波的頻率應與電源頻率相同，即應與電源電壓同步。所以，一般將此方波信號稱(chēng)為同步信號。三相同步信號電路要求獲取三組同步脈沖信號，分別對應每一相的自然換相時(shí)刻，本文選用文獻[5]中所提到的同步電路。整流電路的輸出電壓不是純粹的直流，從示波器觀(guān)察整流電路的輸出，與直流相差很大，波形中含有較大的脈動(dòng)成分，稱(chēng)為紋波。為獲得比較理想的直流電壓，需要利用具有儲能作用的電抗性元件（如電容、電感）組成的濾波電路來(lái)濾除整流電路輸出電壓中的脈動(dòng)成分以獲得直流電壓，根據參考文獻[6]本文選用電容方式進(jìn)行濾波。
2 數學(xué)模型
本設計采用由晶閘管構成的三相半控橋式模塊，忽略晶閘管壓降，設發(fā)電機的輸入電壓幅值為U ，觸發(fā)角度為α ，三相半控整流橋輸出的平均電壓為U ，則：
U =1.17U(1+ cosα )
以U 及α 作輸入變量，以d U 作輸出，在參考工作點(diǎn)附近進(jìn)行局部線(xiàn)性化處理，展開(kāi)成泰勒級數并忽略高次項則得：
晶閘管整流裝置由觸發(fā)電路控制，在分析系統時(shí)把它們處理成一個(gè)環(huán)節。這一環(huán)節的輸入量是觸發(fā)電路的控制電壓Uct，輸出量是理想空載整流電壓d U 。如果把它們之間的放大系數s K 看成常數，則整個(gè)晶閘管觸發(fā)與整流裝置可以看成是一個(gè)具有純滯后的放大環(huán)節，其滯后效應由晶閘管的失控時(shí)間決定[7]。
3 控制器設計
PID 控制是負反饋控制，在實(shí)際中，被控對象總是存在慣性，負反饋控制的輸出總是落后于參考信號的變化，當我們要求系統的被控量迅速平穩地跟隨參考信號變化，并準確地復現其變化規律時(shí)，將不能滿(mǎn)足要求，而在加有前饋控制器的復合控制中，前饋控制器就直接根據參考信號變化的大小和方向，加快對被控對象的控制，因此采用前饋—反饋復合控制器的兩者結合方式使得控制結果具有及時(shí)而又精確的特點(diǎn)。
3.1 前饋控制
對于所示的前饋—反饋控制系統，依據“全補償原理”，由參考文獻[8]可得出前饋補償函數：上式稱(chēng)為對擾動(dòng)引起的誤差進(jìn)行完全補償的條件，或稱(chēng)為對輸出實(shí)現不變性的條件�？梢钥闯�，要完全補償擾動(dòng)對輸出的影響，對擾動(dòng)量進(jìn)行測量，形成前饋控制通道是先決條件。
3.2 反饋控制
本文的 PID 算法采用PD 算法，其PD 環(huán)節的傳遞函數。
3.3 油門(mén)控制
對于數碼發(fā)電機來(lái)說(shuō)，當負載由重載切換到輕載時(shí)，如果發(fā)電機的油門(mén)開(kāi)度不減小的話(huà)，則會(huì )導致發(fā)電機電壓突然上升，這會(huì )對電容等器件造成很大壓力，因此需加入油門(mén)控制。并且加入油門(mén)控制還可以使系統始終運行在最佳經(jīng)濟狀態(tài)，從而節省油耗。
對于油門(mén)控制可以采用模糊控制策略，即當整流輸出電壓遠小于（遠大于）給定電壓時(shí)，可以快速增大（減�。┯烷T(mén)開(kāi)度， 使發(fā)電機輸出電壓快速增大；當整流輸出電壓小于（大于）給定電壓不多時(shí)，可以較慢地增大（減�。┯烷T(mén)開(kāi)度，使發(fā)電機輸出電壓較慢的增大。當整流輸出電壓與給定電壓相接近時(shí)，可保持油門(mén)開(kāi)度，由PID 控制器保持直流側電壓穩定。
4 實(shí)驗結果
利用本文所提出的整流控制策略研制出了一臺數碼發(fā)電機電源，數碼發(fā)電機的后級逆變環(huán)節采用開(kāi)環(huán)控制策略，在三相中頻發(fā)電機中進(jìn)行了實(shí)驗。實(shí)驗采用了DSP 芯片TMS320LF2407A 作為主控制器，利用了它計算速度快的優(yōu)點(diǎn)。1KVA 實(shí)驗測試結果如所示，電源的輸入為：300Hz，峰值430V。輸出直流244V(要求穩壓值245V) 。電源的輸入為：500Hz，峰值630V。輸出直流247V(要求穩壓值245) �？梢钥闯�，在頻率電壓大范圍變化下，輸出值與理想值偏差小于1%。
5 結論
本系統采用前饋控制結合PID 控制的策略，在前級整流器中加入前饋控制可以有效的減少響應時(shí)間及降低超調量。而且本系統所采用的前饋控制可以減輕PID 控制的負擔，系統的開(kāi)環(huán)增益可以取得小一些，有利于系統的穩定性。在系統中加入油門(mén)控制不僅可以調節電壓輸出，還可以使系統始終運行在最佳經(jīng)濟狀態(tài)節省油耗。實(shí)驗證明，筆者所研制的數碼發(fā)電機工作穩定可靠，滿(mǎn)足了用電設備的要求，不僅解決了寬壓寬頻數字觸發(fā)器的技術(shù)難題，而且所設計的電路簡(jiǎn)單，抗干擾能力強，性?xún)r(jià)比高，具有較高的工程應用參考價(jià)值。
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